Gebündelte Forschung zu Quantenmaterialien

Frankfurt am Main (Weltexpresso) - Quantenmaterialien zeichnen sich durch ungewöhnliche physikalische Eigenschaften aus, die sich nur mithilfe der Quantentheorie erklären lassen – etwa die Supraleitung. Ein neuer Transregio-Sonderforschungsbereich (SFB-TRR) unter Federführung der Goethe-Universität in enger Zusammenarbeit mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT), der Johannes Gutenberg-Universität Mainz sowie dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz und dem Max-Planck-Institut für chemische Physik fester Stoffe in Dresden wird Quantenmaterialien untersuchen, deren Eigenschaften sich in besonderem Maße durch elastische Verformung verändern lassen.

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert das Vorhaben in den kommenden vier Jahren mit insgesamt rund 10 Millionen Euro.

„Jedes Quantenmaterial ist ein eigenes Universum für sich“, sagt Sprecherin Prof. Roser Valentí vom Institut für Theoretische Physik der Goethe-Universität. Denn in den chemisch komplexen Materialien treten eigene Gesetzmäßigkeiten, Felder und Teilchen auf. So finden sich in Supraleitern paarweise gekoppelte Elektronen (Cooper-Paare), die gemeinsam wie ein einziges Teilchen widerstandslos durch das Kristallgitter wandern. In den vergangenen Jahren haben Physikerinnen und Physiker zahlreiche neue Materialien mit solchen außergewöhnlichen Eigenschaften entdeckt und synthetisiert.

Allen Quantenmaterialien ist gemein, dass die Elektronen darin einen geordneten „Tanz“ vollführen. Die Choreografie ist oft über weite Energiebereiche und Zeiträume hinaus erhalten. Die Effekte hängen dabei nicht nur von der chemischen Zusammensetzung des Materials ab, sondern auch von äußeren Bedingungen wie Temperatur, Druck oder magnetischen Feldern. Indem man diese ändert, kann man die Eigenschaften eines Quantenmaterials gezielt „frisieren“. Im neuen SFB-TRR wollen Forscherinnen und Forscher insbesondere Quantenmaterialien untersuchen, deren Eigenschaften stark auf elastische Verformung reagieren. „Langfristig möchten wir elektronische Quantenmaterialien entwickeln, die außergewöhnlich gut auf mechanische Verformung ansprechen“, so Roser Valentí.

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